Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Через две недели разразилась катастрофа. В коннекторе одного из магнитов произошло короткое замыкание, из-за которого соответствующий сверхпроводящий магнит перешел в обычное, не сверхпроводящее состояние, высвободив громадное количество энергии и вызвав механические повреждения и утечку жидкого гелия из системы охлаждения. Повреждения оказались достаточно обширными, чтобы потребовалась доработка проекта и проверка всех паек и соединений БАКа; на работы ушло больше года. В ноябре 2009 г. Большой адронный коллайдер наконец вновь заработал, но из-за опасений за конструкцию в режиме разгона только до семи тысяч эквивалентных масс протона (по отношению к центру масс), а не четырнадцати тысяч, как было задумано. 19 марта 2010 г. установка начала работать со столкновением пучков на этих сниженных энергиях, и в течение двух недель оба детектора начали регистрировать столкновения с соответствующей суммарной энергией.

Эта сухая хроника ничего не говорит о тех невероятно сложных технических задачах, которые приходилось решать в ЦЕРН на протяжении пятнадцати лет с того момента, когда впервые прозвучало предложение о строительстве установки. Если выглянуть из окна самолета перед посадкой в аэропорту Женевы, увидишь только слегка холмистые ухоженные поля и горы в отдалении. Если не знать заранее, то невозможно догадаться, что под этими полями находится самая сложная машина из всех, когда-либо построенных человеком. Рассмотрим некоторые характеристики установки, залегающей кое-где на глубине 175 метров под этим безмятежным пасторальным ландшафтом.

1. В туннеле шириной 3,8 метра и длиной 27 километров располагаются два параллельных кольцевых канала для пучков, которые пересекаются в четырех точках по окружности. Вдоль кольца располагаются более тысячи шестисот сверхпроводящих магнитов, большинство из которых весит более двадцати семи тонн. Туннель настолько длинен, что его кривизна почти незаметна, если посмотреть вдоль.

2. Для того чтобы обеспечивать работу магнитов при температуре менее двух градусов над абсолютным нулем, то есть при температуре ниже, чем у космического микроволнового фона в глубинах межзвездного пространства, используется 96 тонн сверхтекучего ⁴He. Всего используется 120 тонн жидкого гелия, который сперва охлаждают при помощи примерно десяти тысяч тонн жидкого азота. Для этого пришлось изготовить около сорока тысяч герметичных трубных соединений. Объем используемого гелия делает БАК крупнейшей криогенной установкой в мире.

3. Вакуум в каналах, по которым движутся пучки, по техническим требованиям должен быть более разреженным, чем вакуум открытого космоса, с которым сталкиваются астронавты при выполнении задач на внешней поверхности МКС; давление в них должно быть в десять раз ниже атмосферного давления на Луне. Наибольший объем на БАКе, где поддерживается такой вакуум, составляет девять тысяч кубических метров, что сравнимо с внутренним объемом крупного собора.

4. После разгона по туннелю в том или ином направлении протоны движутся со скоростью 0,999999991 скорости света, или всего примерно на 3 метра в секунду медленнее, чем свет. Энергия, которой обладает каждый протон при столкновении, эквивалентна энергии летящего комара, но сконцентрированной в радиальном объеме, в миллион миллионов раз меньшем размера этого комара.

5. Каждый пучок протонов складывается из 2808 отдельных сгустков, стискиваемых в точке столкновения до толщины примерно в четверть толщины человеческого волоса; в каждом сгустке насчитывается 115 миллиардов протонов. Сгустки сталкиваются между собой каждую двадцатипятимиллиардную долю секунды, и всего за секунду происходит более 600 миллионов событий – столкновений частиц.

6. Распределенная компьютерная сеть, разработанная для обработки данных с БАКа, является крупнейшей в мире. Необработанных данных, получаемых с установки за секунду, хватило бы, чтобы заполнить более тысячи терабайтных жестких дисков. Для шести миллионов миллиардов протон-протонных столкновений, проанализированных в одном только в 2012 г., было обработано более двадцати пяти тысяч терабайт данных – больше, чем содержится информации во всех когда-либо написанных книгах; для хранения этой информации потребовалась бы стопка CD-дисков около двадцати километров высотой. Для этого была создана распределенная по миру компьютерная сеть с 170 компьютерными центрами в тридцати шести странах. Когда установка работает, она производит около семисот мегабайт данных в секунду.

7. От тысячи шестисот магнитов требуется сформировать пучки достаточной интенсивности для столкновения, что эквивалентно требованию выстрелить двумя иглами с расстояния в десять километров с такой точностью, чтобы они столкнулись ровно на полпути между двумя точками стрельбы.

8. Настройка пучков настолько точна, что в расчет необходимо брать даже приливные явления, связанные с притяжением Луны и изменением ее положения над Женевой; под действием этих сил окружность БАКа ежедневно меняется на один миллиметр.